人工光合作用：誘人的清潔能源技術

阿胡賈：人工葉子被評為2017年的突破性技術之一，這類技術有望在生產清潔能源的同時從大氣層吸走二氧化碳。

英國《金融時報》科學評論員 安賈娜?阿胡賈

大自然擁有一些奇妙的科技。葉子就是能將一種形式的能量轉化為另一種的神奇機器：葉子吸收二氧化碳和水分，並利用陽光將其轉化為碳水化合物。

多年來，科學家們一直試圖模仿光合作用。這些努力終於有了成果。《科學美國人》（Scientific American）雜誌與世界經濟論壇（WEF）的專家們將人工葉子評為2017年的突破性技術之一。

實驗室研究人員正試圖比自然更勝一籌：不是生成植物養分，而是產生能夠儲存起來供以後使用的燃料。這類項目帶來了一種前景：在生產新型能源的同時，從大氣層吸走二氧化碳這種不受歡迎的溫室氣體。這使人工光合作用有望成為能源領域最清潔的技術之一。

哈佛大學（Harvard University）的丹尼爾?諾切拉（Daniel Nocera）和帕梅拉?西爾弗（Pamela Silver）是這條道路上的先行者。他們的系統，或者說「葉子」，實際上是一個容器，該系統利用一種由陽光激活的催化劑，把水分子分解成氫分子和氧分子。這個容器中有以氫為食的細菌，這些細菌吞噬新釋放出的氫分子，再加上二氧化碳，來產出液體燃料。

即使是生長最快的植物，也只能將大約1%的陽光轉化為養分，而哈佛大學的這兩位科學家研發的系統在利用純二氧化碳時，達到了10%的能量轉化效率。不過，如果從空氣中抽取二氧化碳，效率就會下降至約4%。

還有其他一些人在進行利用陽光製造太陽能燃料的研究。美國能源部（US Department of Energy）旗下有一個專門進行這方面研究的中心——人工光合作用聯合中心（Joint Center for Artificial Photosynthesis），彙集了加利福尼亞理工學院（Caltech）和勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）等一批學術機構。

該中心的任務是開發一項可以大規模應用的技術，將二氧化碳、水和陽光轉化為可再生的運輸用燃料（即使在一個綠色未來，卡車、飛機和船舶也不可能插著電線運行）。還有多家初創公司致力於將光能轉化為可儲存的化學能；《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）列舉了Opus12、Liquid Light、Joule Unlimited和LanzaTech。其中一個挑戰是，找到廉價和取之不盡的催化劑；目前一些技術使用鉑作為催化劑。

人工光合作用之所以令人振奮，是因為它有可能製造出能夠儲存並在需要時使用的「可調遣的」可再生能源。與此形成反差的是，風力發電機和太陽能電池板只能斷斷續續地產生能量。這個問題阻礙了使可再生能源成為能源結構中更可靠組成部分的努力：劍橋大學科學和政策交流中心（Cambridge University Science and Policy Exchange）進行的估測認為，如果要用太陽能或風力發電來代替一座燃煤電廠的電力供應，前者的裝機容量要達到後者的4倍。

太陽能燃料還有一個好處：不需要基礎設施。它們可以被迅速送往最偏遠的農村地區，這對發展中國家來說顯然意義重大。呼籲公眾加大支持這種技術的人士指出，這種技術可以快速部署在難民營、疫情爆發的孤村等地方。出於這些理由，比爾?蓋茨（Bill Gates）在今年早些時候宣稱，他本人對這個概念心向神往。他在3月發布博文稱：「我之前曾撰文說過，我們需要一個能源奇蹟來遏止氣候變化，同時讓數以百萬計目前尚未通電的最貧困家庭用上電。生產太陽能燃料將是這樣的奇蹟之一。」蓋茨和其他人創立了突破性能源風投基金，對清潔能源投資10億美元。

人工光合作用還將吸引另一個消費者群體：過著「脫網」生活的人。埃森哲（Accenture）估計，到2035年，北美12%的人和歐洲11%的人將實現能源自足，可能會脫離電網。

特斯拉（Tesla）已經預測到了這種趨勢：該公司的Powerwall電池能夠在白天儲存太陽能電力，以便在夜間使用，該產品瞄準同一個市場。實際上，圍繞著生態生活掀起了一陣浪潮，許多書籍和網站描繪了脫網生活的烏托邦藍圖，方法往往是砍柴。

這引發了有關公用事業「死亡螺旋」的討論：隨著可再生能源變得更廉價，隨著越來越小的客戶群要支撐起龐大的基礎設施，更多人將選擇「脫網」。對人工光合作用乃至其他可再生能源的熱情，還受到人們對環境憂慮的推波助瀾——要回歸自然，最清潔的方式可能是模仿自然，這是多麼詩意的後現代啊。

本文作者是科學評論員

譯者/徐行

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